Es un experimento escolar muy conocido:la aplicación de un voltaje entre dos electrodos insertados en el agua produce hidrógeno y oxígeno moleculares. Los investigadores buscan hacer que la división del agua sea lo más eficiente posible desde el punto de vista energético para avanzar en las aplicaciones industriales. El material del electrodo y la calidad de su superficie son aspectos cruciales que determinan la eficiencia de división. En particular, puntos rugosos de solo unos pocos nanómetros de tamaño, llamados centros reactivos, determinar la reactividad electroquímica de un electrodo.

Los métodos de investigación anteriores no eran lo suficientemente precisos para seguir las reacciones químicas que tienen lugar en tales centros reactivos en la superficie del electrodo con suficiente resolución espacial en condiciones reales de funcionamiento. es decir., en solución de electrolito a temperatura ambiente y con un voltaje aplicado. Un equipo de científicos dirigido por el Dr. Katrin Domke en el MPI-P ha desarrollado un método con el que los pasos iniciales de la división electrocatalítica del agua sobre una superficie de oro podrían estudiarse por primera vez con una resolución espacial de menos de 10 nm bajo condiciones de operación.

"Pudimos demostrar experimentalmente que las superficies con protuberancias en el rango nanométrico dividen el agua de una manera más eficiente desde el punto de vista energético que las superficies planas, "dice Katrin Domke." Con nuestras imágenes, podemos seguir la actividad catalítica de los centros reactivos durante los pasos iniciales de la división del agua ".

Los investigadores combinaron diferentes técnicas:en espectroscopía Raman, las moléculas se iluminan con luz que dispersan. El espectro de luz dispersa contiene información que proporciona una huella química de la molécula, permitiendo la identificación de especies químicas. Sin embargo, La espectroscopía Raman generalmente produce solo señales muy débiles y promediadas espacialmente en cientos o miles de nanómetros.

Por esta razón, los investigadores combinaron la técnica Raman con microscopía de túnel de barrido. Al escanear una punta de oro de un nanómetro de espesor iluminada con luz láser sobre la superficie bajo investigación, la señal Raman se amplifica en muchos órdenes de magnitud directamente en el vértice de la punta, que actúa como una antena. Este fuerte efecto de mejora permite la investigación de moléculas aisladas. Es más, el enfoque estrecho de la luz por la punta conduce a una resolución óptica espacial de menos de diez nanómetros. Notablemente, el aparato puede funcionar en condiciones de funcionamiento electrocatalíticas realistas.

"Pudimos demostrar que durante la división del agua en puntos ásperos nanométricos, es decir, Centros reactivos:se forman dos óxidos de oro diferentes que podrían representar intermedios importantes en la separación del átomo de oxígeno de los átomos de hidrógeno. ", dice Domke. Los investigadores han obtenido conocimientos más precisos sobre los procesos que tienen lugar a escala nanométrica en superficies reactivas, lo que podría facilitar el diseño de electrocatalizadores más eficientes en el futuro que requieran menos energía para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.

Los científicos han publicado sus resultados en la revista Comunicaciones de la naturaleza .